JPH08293464A - 半導体基板及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 半導体膜の熔融結晶化工程において、絶縁性
基板１０上に形成された非晶質シリコン膜１２表面に、
二酸化シリコン膜１３からなる反射防止膜を選択的に堆
積し、その後、基板全面にレーザ光１５を照射してアニ
ール処理を行う。 【効果】 非晶質シリコン膜１２表面に反射防止膜を選
択的に堆積することによって、基板全面に同じ条件でレ
ーザ光１５を照射する場合にも、レーザ光１５のエネル
ギパワーを基板各領域ごとに選択的に制御することを可
能にし、同一基板上で各領域により適した特性を有する
複数の薄膜トランジスタを精度良く形成することができ
る。さらに、一度のエネルギ線照射で基板全面を処理で
きるためにスループットが高く、かつエネルギ線装置本
体も低エネルギパワーでの照射で処理できるために、装
置の負担を軽減し、常に安定した処理ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板及びその半
導体基板が加工されて構成される半導体装置の製造方法
に関し、アクティブマトリクス型の画像表示装置やイメ
ージセンサ等に利用できる薄膜トランジスタ用半導体膜
の結晶化工程で好適に実施される半導体基板及び半導体
装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】硝子等の絶縁性基板上に薄膜トランジス
タを有する半導体装置としては、薄膜トランジスタを各
画素用のスイッチング素子及びそのスイッチング素子の
ための周辺駆動回路に用いるアクティブマトリクス型液
晶表示装置やイメージセンサ等が知られている。これら
の装置に用いられる薄膜トランジスタには、薄膜状のシ
リコン半導体を用いるのが一般的である。薄膜状のシリ
コン半導体としては、非晶質シリコン半導体からなるも
のと結晶性を有するシリコン半導体からなるものとの二
つに大別される。

【０００３】非晶質シリコン半導体は、作製温度が低
く、また気相法で比較的容易に作製することが可能で量
産性に富むため、最も一般的に用いられているが、構造
上トランジスタサイズの縮小化が困難であるため、画素
の高開口率化が難しく、かつキャリア移動度等の物性が
結晶性を有するシリコン半導体に比べて劣っている。し
たがって、よりすぐれた高速特性と高開口率を得るため
に、結晶性を有するシリコン半導体からなる薄膜トラン
ジスタの製造方法の確立が強く求められていた。

【０００４】一方、結晶性を有するシリコン半導体とし
ては、単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）、多結晶シリコン
（ｐ−Ｓｉ）、微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ）、結晶成
分を含む非晶質シリコン、結晶性と非晶質性の中間の状
態を有するセミアモルファスシリコン等が知られてい
る。これら結晶性を有する薄膜状のシリコン半導体を得
る方法としては、 （１）成膜時に結晶性を有する膜を直接成膜する。 （２）半導体膜を成膜しておき、熱エネルギを加えるこ
とによって結晶性を有せしめる。 （３）半導体膜を成膜しておき、レーザ光のエネルギに
よって結晶性を有せしめる。 といった方法が知られている。

【０００５】上述の各方法には、以下の問題点がある。

【０００６】（１）の方法では、成膜工程と同時に結晶
化が進行するので、結晶性シリコンを得るにはシリコン
膜の厚膜化が不可欠であり、粒径の大きさを一定以上に
大きくすることが困難である。したがって、シリコン膜
中に多くの粒界を含み、キャリア移動度が粒界部のトラ
ップによって制限され、駆動回路に必要な電流駆動能力
が得られない。また、成膜温度が６００℃以上と高いの
で、安価な硝子基板が使用できないというコスト面の問
題もある。

【０００７】（２）の方法では、大面積に対応できると
いう利点はあるが、結晶化に際し、６００℃以上の高温
にて数十時間にわたる加熱処理が必要である。すなわ
ち、安価な硝子基板の使用、及び単位時間当たりの加工
数であるスループットの向上を考えると、加熱温度を下
げ、さらに短時間で結晶化させるという相反する問題点
を同時に解決する必要がある。

【０００８】（３）の方法では、熔融結晶化過程の結晶
化現象を利用するため、小粒径ながら粒界が良好に処理
され高品質な結晶性シリコン膜が得られるが、現在最も
一般的に使用されているエキシマレーザを例にとると、
レーザ光の照射面積が小さくスループットが低いという
問題があり、また大面積基板の全面を均一に処理するに
はレーザの安定性が充分ではない。

【０００９】今後の技術として、たとえばアクティブマ
トリクス型液晶表示装置の周辺駆動回路を構成するよう
な高速な薄膜トランジスタと高い開口率を実現できる画
素を構成するような薄膜トランジスタとを、同一基板上
に同時に形成することが望まれる。このような所謂モノ
リシック化基板においては、駆動回路用の薄膜トランジ
スタには高速かつ高キャリア移動度が必要となり、画素
用の薄膜トランジスタにはオフ電流の低減が大きな課題
となる。

【００１０】同一基板上に特性の異なる薄膜トランジス
タを構成しうる半導体膜の製造方法として、レーザ光ま
たは電子ビーム等のエネルギ線を用いて、同一基板内に
半導体膜の選択的な熔融結晶化を行う方法が提案されて
いる。たとえば、特開昭６４−４５１６２号公報に示さ
れる第一の方法では、直接レーザを照射した部分以外が
再結晶化しないように予め半導体膜を複数の領域に分離
しておき、所望する領域のみにエネルギ線を照射し、そ
の他の所望しない領域にはエネルギ線を照射しない方法
が提案されている。また、特開平３−２９２７２１号公
報に示される第二の方法では、所望しない領域にエネル
ギ線の不透過膜を形成して、選択的に熔融結晶化処理を
行う方法が提案されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述のような
方法には以下の問題がある。

【００１２】第一の方法では、複数回のレーザ照射が必
要となりスループットが低く、かつ処理工程も複雑にな
り、精度良くアライメントを行うことは非常に困難であ
る。また第二の方法では、不透過膜を形成することで熔
融結晶化が起こらない領域が基板内にできてしまう。す
なわち、同一基板上に非晶質膜と多結晶膜との組み合わ
せしかできないため、画素領域の高開口率化は困難であ
るという問題がある。

【００１３】したがって両方法では、レーザアニール処
理のスループットの向上並びに特性改善、具体的には周
辺駆動回路を構成するような薄膜トランジスタにおいて
キャリア移動度の向上、及び画素を構成するような薄膜
トランジスタにおいて高開口率の実現、オフ時のリーク
電流の低減といった問題を同時に解決することは困難で
ある。

【００１４】本発明の目的は、同一基板上に特性の異な
る薄膜トランジスタを精度良く、かつ経済的に構成しう
る半導体基板及び半導体装置の製造方法を提供すること
である。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る半
導体基板及び半導体装置の製造方法は、絶縁性表面を有
する基板または、絶縁膜で表面を覆った基板上に形成さ
れた非晶質半導体膜にエネルギ線を照射し、前記非晶質
半導体膜を熔融結晶化する工程において、前記非晶質半
導体膜表面に膜厚の相互に異なる反射防止膜を選択的に
堆積することを特徴とする。

【００１６】また請求項２の発明に係る半導体基板及び
半導体装置の製造方法は、前記エネルギ線は波長４００
ｎｍ以下の紫外線レーザのパルス光であり、前記反射防
止膜は前記紫外線を吸収しない材料に選ばれることを特
徴とする。

【００１７】

【作用】請求項１の発明に従えば、絶縁性の表面を有す
る基板、または絶縁膜で表面を覆った基板上に、化学的
気相成長法（ＣＶＤ法）やスパッタリング法等で堆積さ
れたアモルファスシリコン等の非晶質半導体膜の表面
に、選択的に反射防止膜を設ける。その後、レーザ光、
または電子ビーム等のエネルギ線を用いて、ある一定の
エネルギパワーで基板全面を照射する。

【００１８】前記非晶質半導体膜表面で前記反射防止膜
を設けた領域と設けていない領域とでは、反射率が相互
に異なるために、同じ条件で照射を行っても、反射防止
膜上では実効的に高いパワーを得ることが可能である。
したがって、エネルギパワーを領域ごとに選択的に制御
することを可能にし、同一基板内に特性の異なる複数の
薄膜トランジスタを、精度良く、かつ高スループットで
形成することができる。

【００１９】また請求項２の発明に従えば、前記エネル
ギ線は波長４００ｎｍ以下の紫外線レーザのパルス光で
あり、レーザ源として、たとえば発振波長３０８ｎｍ
で、発振時間約５０ｎｓのエキシマレーザを用いる。ま
た、前記反射防止膜は前記紫外線を吸収しない材料に選
ばれ、たとえば紫外線が吸収されなくて、かつプロセス
上シリコン膜との相性の良い二酸化シリコン膜を用い
る。

【００２０】

【実施例】本発明の一実施例について、図１〜図４に基
づいて説明すれば以下のとおりである。

【００２１】図１は、本発明の一実施例の半導体装置で
あるＴＦＴＡ１，Ｂ１の製造工程を示す断面図であり、
図２は、前記ＴＦＴＡ１，Ｂ１が用いられる液晶表示装
置の平面図である。また、図１の工程断面図は図２の平
面図における切断面Ｌに対応する。

【００２２】本実施例を図１の製造工程に従って説明す
ると、まず図１（ａ）は、石英、硝子等からなる絶縁性
基板１０の表面を洗浄後、ベースコート膜１１として二
酸化シリコン膜をスパッタリング装置を用いて厚さ３０
０ｎｍ程度堆積した状態である。このベースコート膜の
必要膜厚は基板の表面状態によって異なり、十分に平坦
でかつナトリウムイオン等の半導体特性に悪影響を与え
るイオン濃度が十分に低い基板であれば省略することも
可能であり、逆に表面の状態が傷や凹凸の激しいもので
あれば上記の膜厚よりも厚く堆積する必要がある。

【００２３】図１（ｂ）は、前記ベースコート膜１１上
に化学的気相成長法やスパッタリング法を用いて非晶質
シリコン膜１２を５０ｎｍ程度の厚さに堆積した状態で
ある。図１（ｃ）は、その後、前記非晶質シリコン膜１
２上に紫外線が吸収されないような透明な反射防止膜、
たとえば二酸化シリコン膜１３をスパッタリング法等を
用いて堆積した状態である。

【００２４】前記二酸化シリコン膜１３の膜厚は、図３
に基づいて算出することができる。図３は、レーザ波長
３０８ｎｍに対する反射防止膜の膜厚と反射率との関係
を示し、反射防止膜としては前記二酸化シリコン膜１３
が用いられている。本実施例では、前記二酸化シリコン
膜１３の膜厚を、波長光３０８ｎｍのＸｅＣｌレーザに
対し反射率の最も低い５０ｎｍとした。なお、図３の反
射率をもとに実効エネルギパワーを計算すると、反射防
止膜を設けた領域と設けない領域とで最大４０％の差が
生じる。

【００２５】図１（ｄ）は、フォトリソグラフィによっ
て、周辺駆動回路を構成するような高速な薄膜トランジ
スタ領域に反射防止膜を選択的に形成した状態である。
反射防止膜を選択的に堆積する領域１４は、図４で示す
反射防止膜用のフォトマスク２７の平面図において斜線
で示す開口部分２６に対応する。次に基板全面にレーザ
光１５の照射を行うと、非晶質シリコンの熔融結晶化が
起こり、結晶成長させることによって結晶シリコン膜を
得る。

【００２６】本実施例では、レーザの発振波長は前記３
０８ｎｍ、設定照射エネルギ密度は２００ｍＪ／ｃｍ²
程度で、発振時間（パルス幅）は約５０ｎｓであり、発
振周波数は３００Ｈｚとしたが、レーザ照射される膜の
状態（膜質、膜厚、構造）によって条件は異なる。

【００２７】図１（ｅ）は、レーザ処理終了後、フッ酸
溶液等のＳｉＯ₂ 用のエッチャントを用いて反射防止膜
を除去した状態であり、前記反射防止膜の有無によっ
て、同一基板上にレーザのエネルギパワーの異なる結晶
シリコンが得られていることを表す。本実施例では、設
定照射エネルギ密度２００ｍＪ／ｃｍ² で処理を行って
いるので、反射防止膜で覆われていた領域（周辺駆動回
路を構成する領域）１６は、実効エネルギパワー２８０
ｍＪ／ｃｍ² 程度になり、その他の反射防止膜で覆われ
ていなかった領域（内部の画素を構成する領域）１７
は、実効エネルギパワー２００ｍＪ／ｃｍ² である。

【００２８】次に、上述の方法で作製した半導体基板２
３の周辺駆動回路領域２４及び内部の画素領域２５に、
たとえば以下の製造方法で、それぞれＴＦＴＡ１，Ｂ１
を構成する。前記結晶シリコン膜のＴＦＴ領域のみエッ
チング処理で残し、その上にスパッタリング法によって
ゲート絶縁膜１８を積層する。続いてゲート電極１９を
形成し、不純物注入を行う。さらに、ＳｉＯ₂ からなる
絶縁膜２０を積層し、エッチングによって開口部分を設
け、ソース電極２１及びドレイン電極２２を形成する
と、図１（ｆ）に示すように、特性の異なるＴＦＴＡ
１，Ｂ１がそれぞれ完成する。

【００２９】上述のように、薄膜トランジスタ用半導体
膜の熔融結晶化工程において、絶縁性基板１０上に形成
された非晶質シリコン膜１２表面に、反射防止膜である
二酸化シリコン膜１３を周辺駆動回路領域２４に選択的
に堆積し、その後、基板全面に同じ条件でＸｅＣｌレー
ザ光１５を照射することによって、前記周辺駆動回路領
域２４にはキャリア移動度の高い高速なＴＦＴ（図２に
おけるＡ１，Ａ２）を形成することができ、同時に内部
の画素領域２５には高開口率を実現できるＴＦＴ（図２
におけるＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４）を形成することがで
きる。すなわち、基板全面を一度のレーザ照射で処理す
ることによって、同一基板上で各領域により適した特性
を有する複数の薄膜トランジスタを、精度良く、高スル
ープットで形成することができ、さらに、レーザ装置本
体も低エネルギパワーでの照射でアニール処理ができる
ため、常に安定した処理を行うことができ、ガス寿命が
伸び、装置の負担を軽減できる。

【００３０】なお本実施例では、反射防止膜の膜厚は、
５０ｎｍ（反射防止膜を設けた領域）と０ｎｍ（反射防
止膜を設けなかった領域）の二つに異なる場合であった
が、反射防止膜の膜厚が三つ以上に異なる場合で行われ
てもよいし、反射防止膜の材質や構成される薄膜トラン
ジスタの特性等に応じて、膜厚を変化させてもよい。ま
た、熔融結晶化工程において照射するエネルギ線として
レーザ光１５を使用したが、レーザ光１５の代りに、電
子ビーム及びそれに対応した材質の反射防止膜を使用し
ても同様の効果が期待できる。

【００３１】また、半導体基板２３は、他の形状のＴＦ
Ｔや、またＴＦＴに限らず他の半導体装置に用いられて
もよい。

【００３２】

【発明の効果】請求項１の発明に係る半導体基板及び半
導体装置の製造方法は、以上のように、非晶質半導体膜
表面に反射防止膜を選択的に設けることによって、同一
基板上で各領域により適した特性を有する薄膜トランジ
スタを同時に形成することが可能である。たとえば、硝
子等の絶縁性基板上に設けられた薄膜トランジスタを画
素及びその駆動回路に用いるアクティブマトリクス型液
晶表示装置やイメージセンサ等において、画素を構成す
るような低リークの薄膜トランジスタと周辺駆動回路を
構成するような高速な薄膜トランジスタとを同一基板上
に同時に形成する場合、前記周辺駆動回路領域に反射防
止膜を設けて、その後ある一定のエネルギパワーで基板
全面にレーザ照射を行うと、前記反射防止膜で覆われた
前記周辺駆動回路領域にはキャリア移動度の高い高速な
薄膜トランジスタ（たとえば多結晶シリコン）を形成す
ることができ、しかも前記反射防止膜で覆われていない
内部の画素領域においても高開口率を得るための薄膜ト
ランジスタを形成することができる。また、一度のレー
ザ照射で基板全面を処理することができるため、スルー
プットの向上が図れる。さらに、レーザ装置本体も低エ
ネルギパワーでの照射で処理を行うことができるため、
常に安定した処理を行うことができ、ガス寿命が伸び、
装置の負担を軽減できる。

【００３３】また請求項２の発明に係る半導体基板及び
半導体装置の製造方法は、以上のように、熔融結晶化工
程において照射するエネルギ線には、波長４００ｎｍ以
下の紫外線レーザのパルス光を使用する。波長４００ｎ
ｍ以下のエネルギ線は半導体シリコン膜の吸収係数にマ
ッチングした波長であり、半導体シリコン膜の効率良い
加熱を行うことができる。また、反射防止膜は前記紫外
線を吸収しない材料に選ばれ、したがって反射防止膜内
でのエネルギ損失をなくすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の半導体装置であるＴＦＴの
製造工程を示す断面図である。

【図２】前記ＴＦＴが用いられる液晶表示装置の平面図
であり、周辺駆動回路領域及び内部の画素領域のＴＦＴ
を模式的に示す。

【図３】レーザ波長３０８ｎｍに対する、反射防止膜で
ある二酸化シリコン膜の膜厚と反射率との関係を示すグ
ラフである。

【図４】選択的に反射防止膜を形成するためのフォトマ
スクの平面図である。

【符号の説明】

１０ 絶縁性基板 １１ ベースコート膜 １２ 非晶質シリコン膜 １３ 二酸化シリコン膜 １４ 選択的に反射防止膜を形成した領域 １５ レーザ光 １６ 反射防止膜で覆われていた領域（周辺駆動回路を
構成する領域） １７ 反射防止膜で覆われていなかった領域（内部の画
素を構成する領域） １８ ゲート絶縁膜 １９ ゲート ２０ 絶縁膜 ２１ ソース電極 ２２ ドレイン電極 ２３ 半導体基板 ２４ 周辺駆動回路領域 ２５ 内部の画素領域 ２６ 開口部分 ２７ フォトマスク Ａ１ ＴＦＴ（周辺駆動回路用） Ａ２ ＴＦＴ（周辺駆動回路用） Ｂ１ ＴＦＴ（画素用） Ｂ２ ＴＦＴ（画素用） Ｂ３ ＴＦＴ（画素用） Ｂ４ ＴＦＴ（画素用）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁性表面を有する基板、または絶縁膜で
   表面を覆った基板上に形成された非晶質半導体膜にエネ
   ルギ線を照射し、前記非晶質半導体膜を熔融結晶化する
   工程において、 前記非晶質半導体膜表面に膜厚の相互に異なる反射防止
   膜を選択的に堆積することを特徴とする半導体基板及び
   半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】前記エネルギ線は波長４００ｎｍ以下の紫
   外線レ−ザのパルス光であり、前記反射防止膜は前記紫
   外線を吸収しない材料に選ばれることを特徴とする請求
   項１記載の半導体基板及び半導体装置の製造方法。